Při vnitřních inspekcích plynovodů

Václav LINHART Romana PAVELKOVÁ Jana SIGMUNDOVÁ Václav HERMAN * Hodnocení účinku vad v montážních obvodových svarech na únosnost plynovodních potrubí Při vnitřních inspekcích plynovodů se někdy setkáváme s výskytem velmi hrubých vad v obvodových montážních svarech Vady tohoto druhu byly zjištěny např na plynovodech na severní Moravě Jednalo se o montážní obvodové svary na bezešvých trubkách DN 700 720x12 až 15 mm z oceli ČSN 41 31260 Zjištěné vady v obvodových svarech dosahovaly podle těchto kontrol značných hloubek a délky 200 až 300 mm Část těchto potrubí s nejrozsáhlejšími vadami byla odkryta a nahrazena novými trubkami Pro technicky zdůvodněné rozhodování v těchto případech bylo nutné získat podklady o reálném účinku vad tohoto druhu na provozní spolehlivost a životnost potrubí Příslušné práce se uskutečnily v SVÚM as na základě požadavku RWE TRANSGAS as Pro realizaci prací bylo vybráno 5 úřezků trubek s výraznými vadami v obvodových svarech odebraných z plynovodu Trubky byly v SVÚM pracovně označeny č 12 29 42 46 a 47 Charakter vad v obvodových svarech trubek Trubky se svary byly po vyjmutí z plynovodu podrobeny důkladné defektoskopické kontrole prozařováním Také tato kontrola potvrdila že se jedná o výrazné vady typu neprůvarů v kořeni svaru (dle ČSN ISO 6520-1 č 4021) (obr 1 a 2) o studené spoje (č 4013) nebo o vruby v kořeni svaru - propadlý kořen (č 5013) a o shluky dutin (č 2013) Neprůvary dosahují u jednotlivých vyšetřovaných trubek délky až 200 a 300 mm Podle zásad hodnocení defektoskopických nálezů z prozařování se vesměs jedná o svary zcela nevyhovující kvality podle ČSN Příklady některých zjištěných vad na dodaných trubkách jsou patrné z obr 3 a 4 (trubka č 46) vady po tlakových zkouškách v SVÚM z obr 5 6 a 7 (trubka č 46) Po tlakových zkouškách jsou neprůvary rozevřené účinky plastické deformace Hloubka neprůvarů dosahuje 50 % až 80 % tloušťky stěny trubky Jiné příklady vad v obvodových svarech po zejména hubených kořenů svarů jsou na obr 8 a 9 (trubky č 29 a 47) Vlastnosti základního materiálu trubek Trubky byly vyrobeny z oceli typu ČSN 4131260 s obsahem 018 až 021 % C 108 až 121 % Mn 027 až 029 % Si a 0041 až 0051 % Al Podle zkoušek na některých z těchto trubek jsou hodnoty: smluvní mez kluzu plastické prodloužení 02 % [MPa] - R p 02 269 MPa smluvní mez kluzu celkové prodloužení 05 % [MPa] - R t 05 242 MPa mez pevnosti v tahu [MPa] - R m 515 MPa tažnost A 224 % a kontrakce Z 466 % Potrubní tlaková tělesa pro posouzení únosnosti trubek U uzavřených potrubních těles s vnitřním přetlakem je namáhání v osové rovině trubky dvojnásobné proti namáhání v obvodovém průřezu Dp/2t (1) Dp/4t (2) pak 05 (3) kde: obvodové napětí [MPa] podélné napětí [MPa] D vnější průměr trubky [mm] p vnitřní tlak [MPa] a t tloušťka steny trubky [mm] Vady které se vyskytují v podélném směru trubky jsou pak z hlediska únosnosti nebezpečnější než stejně rozměrné vady které leží ve směru obvodovém V případě obvodových svarů u kterých je nutné počítat s příp křehčími strukturami zejména v jejich kořenové části nemusí být takové hodnocení na místě Opatrnost je také nutná v případech kdy na potrubí dochází k působení přídavných ohybových momentů K takovým podmínkám dochází již při ukládání potrubí do země v místech oblouků nebo v místech nebezpečí sesuvů půdy a vyplavení podloží U nadzemních potrubních konstrukcí dochází k přídavným ohybovým namáháním od dilatací K posouzení účinku vad v obvodových svarech na únosnost trubek se uskutečnily pevnostní a cyklické tlakové zkoušky Uskutečnily se jednak na potrubním tělese s rozsáhlými vadami tohoto druhu a na dalším tlakovém tělese kompletovaném z dalších trubek s vadami v obvodovém svaru s připojenými ochrannými objímkami clock spring Tlakové těleso bez objímek je znázorněno schematicky na obr 10 Ve střední části je připojena trubka č 46 o délce 710 mm s výraznými vadami v obvodovém svaru viz dříve uvedené obr 1 2 5 až 7 Po obou stranách této trubky jsou připojeny části trub- Obr 1 Snímek kořene svaru trubky č 46 Obr 2 Snímek kořene svaru trubky č 46 3/2006 Slovgas 17

Obr 3 Přesazení trubek a neprůvar v kořeni svaru - trubka č 12 Obr 4 Hubený kořen svaru - trubka č 12 Obr 5 Neprůvar po tlakové zkoušce - trubka č 46 Tab 1 Přehled tlakových zkoušek tělesa bez objímek Etapa Charakteristika zkoušky Průběh zkoušky 1 2 Cyklické Statické do provoztlaku 63 MPa (646 at) a do 73 MPa (744 at) Obr 6 Hrubý neprůvar po tlakové zkoušce - trubka č 46 Tlakovací cyklus: 1 MPa (102 at) p max 63 MPa (646 at) p/p max 084 Trvání cyklu: 57 sek Počet cyklů: 5 000 0 p 63 MPa prodleva 5 min p 73 MPa prodleva 5 min 0 Vysvětlivky: p tlak minimální tlak p max maximální tlak Tab 2 Přehled tlakových zkoušek tělesa s objímkami Etapa Charakteristika zkoušky Průběh zkoušky 1 Cyklické 2 3 Statické do p758 MPa (773 at) max [MPa] 1532 1532 1776 0 p 1902 MPa roztržení 4626 Tlakovací cyklus: 1 MPa (102 at) p max 63 MPa (646 at) Trvání cyklu: 81 až 84 sek Počet cyklů: 5 000 0 p max 758 MPa prodleva 5 min 0 max [MPa] Obr 14 15 Obr 189 2274 0 147 MPa 1618 MPa porušení 4854 17 ky č 12 bez svarů K získání podkladů o průběhu deformací ve zvolených oblastech tlakového tělesa byly připojeny tenzometry (č 1 až 8 viz obr 10) Tlakové těleso s objímkami (obr 11) tvořily trubky č 29 a 47 s vadami a nástavné trubky Charakteristické vady v obvodových svarech v těchto trubkách byly již znázorněny na obr 3 a 4 (trubka č 12) a na obr 9 (trubka č 47) K aplikaci ochranných objímek je nutné uvést že jsou běžně určeny především ke zvýšení únosnosti potrubí v obvodovém směru Jejich vliv na přenos namáhání v podélném směru trubky je malý Zabraňují však vzniku plastické deformace v obvodovém směru a tudíž i boulení které má za následek zvýšené namáhání i v osovém směru Ochrana proti tomuto účinku je pak přínosem i pro únosnost v osovém směru Příznivý účinek objímek vyplyne i z dalšího rozboru Na tlakovém tělese byly instalovány ochranné objímky clock spring Instalaci objímek a svářečské práce na obou tělesech provedli pracovníci RWE Transgas Písek Objímky byly instalovány na potrubní těleso bez tlaku Na povrch se navíjejí pásy příslušného speciálního laminátového kompozitu o šířce 292 mm a o tloušťce 2 mm v několika vrstvách Pojivem mezi vrstvami je speciální lepicí tmel Připojené objímky jsou patrné na obr 11 Po obou stranách obvodového svaru s vadami byly připojeny slabší výplňové objímky o celkové tloušťce asi 8 mm Přes tyto výplňové objímky byla pak navinuta objímka vrchní opět o šířce cca 292 mm a o celkové tloušťce 15 mm viz obr 11 Snímek tlakového tělesa s objímkami je na obr 12 Také na toto zkušební tlakové těleso s objímkami byly připojeny tenzometry a to při objímkách (tenzometry T3 až T8) a pak na volném plášti tělesa mimo objímky (T1 T2 T9 a 10) Tlakování potrubního tlakového tělesa bez objímek (obr 10) Přehled provedených tlakových zkoušek je v tab 1 Hodnoty byly stanoveny při uvažování průměru D 720 mm a tloušťky - t 148 mm Obr 7 Hrubý neprůvar po tlakové zkoušce - trubka č 46 Obr 8 Hubený kořen svaru s plynovými dutinami - trubka č 29 Obr 9 Hluboký neprůvar v kořeni svaru - trubka č 47 18 Slovgas 3/2006

Obr 10 Schéma tlakového tělesa DN 700 bez objímek Vady v obvodovém svaru trubky č 46 Obr 11 Schéma tlakového tělesa DN 700 s objímkami Vadné svary trubek č 29 a 47 Cyklické (etapa 1) do p 63 MPa ( 1532 MPa) ani statické až do p 73 MPa ( 1776 MPa) nevedlo ke vzniku porušení Nevyskytlo se ani prosakování vody které by svědčilo o lokálním porušení ve vadných svarech Hodnoty při těchto zkouškách byly nižší než mez R p 02 materiálu Tlakování do roztržení K roztržení tlakového tělesa došlo při p 1902 MPa Při D 720 mm a t 148 mm je 4626 MPa Pro tuto hodnotu platí: R p 02 «Odpovídající hodnota: /2 2313 MPa (<R p 02 ) Také průběh rozvoje deformací na měřených místech při tomto - obr 13 - prokázal že již od p 85 MPa ( 2067 MPa) docházelo v místech tenzometrů při svaru k odklonu průběhu poměrné deformace [µm/m] - ε (p) od linearity tudíž ke vzniku prvých plastických deformací Na volném plášti (tenzometry č 6 7) došlo ke vzniku prvých plastických deformací při p 10 MPa ( 2432 MPa) K porušení tlakového tělesa tudíž došlo v podmínkách rozvoje výrazné plastické deformace na celém plášti potrubního tělesa Rychlý rozvoj deformací na tenzometrech poblíž vadného místa obvodového svaru (tenzometry č 1 2 5 obr 10) při tlaku p > 9 MPa potvrzuje vysoký vrubový účinek vad Při tlaku p 13 MPa vedl rozsáhlý rozvoj plastické deformace k porušení prakticky všech tenzometrů K iniciaci porušení tělesa došlo v podélném směru na vadě v novém spojovacím obvodovém svaru obr 14 a 15 mimo starý obvodový svar s výraznými dlouhými vadami na trubce č 46 Trhlina se šířila v osovém směru tělesa V místě křížení magistrální trhliny s obvodovým svarem trubky č 46 s vadami došlo k rozvětvení trhliny obr 14 a obr 15 Trhlina ve směru obvodového svaru pak propojila vadná místa Lze očekávat že mezní tlak pro vznik roztržení na obvodovém svaru trubky č 46 s vadami by byl jen nepatrně vyšší než tlak při roztržení za daných podmínek Podle vývoje lomu lze soudit že i při výrazných vadách v obvodových svarech bylo pro mezní tlak limitující porušování v osové rovině trubky Snímky rozevřených vad na trubce č 46 po tlakové zkoušce příp částečně natržených byly uvedeny na obr 5 až 7 Tlakování potrubního tlakového tělesa s objímkami (obr 11 a 12) Přehled tlakových zkoušek u tohoto tělesa je v tab 2 Hodnoty byly stanoveny při uvažování D 720 mm a t 12 m Při prohlídkách během cyklování a po jeho dokončení nebyly na objímkách zjištěny žádné závady jen drobné delaminace na čele objímky v některých místech Tlakování tělesa s objímkami Průběhy deformací naměřené na některých tenzometrech v obvodovém směru vykazují v rozsahu tlaků p < 116; 133 MPa > prudký nárůst deformací (tenzometry T5 T1 T3 T7 T9) obr 16 To svědčí o vzniku plastické deformace v těchto místech obr 11 Jedná se o tenzometry v obvodovém směru na volném plášti (T1 T9) i při objímkách (T3 T5 T7) Při obvodové poměrné deformaci - ε obv 20 000 [µm/m] t j ε obv 2 % došlo k porušení tenzometrů Namáhání v podélném směru trubky které má rozhodovat o porušování v obvodových svarech je soudě podle deformací podstatně nižší než ve směru obvodovém K výrazné odchylce od linearity a k plastické deformaci i na tenzometrech v podélném směru (T2 T4 T6 T8) došlo při tlacích p < 108; 135 MPa > Po vzniku výrazné obvodové plastické deformace na plášti spojené s vyboulením došlo při p 132 MPa účinkem přídavného momentu k prvým naprasknutím vrstev po krajích slabších výplňových objímek clock spring Při tlaku p 147 MPa docházelo již k odskakování celých prasklých vrstev obr 17 - a k destrukci těchto slabších částí objímek Obr 12 Snímek tlakového tělesa s objímkami Obr 13 Tlakové těleso bez objímek Průběh deformací při do roztržení 3/2006 Slovgas 19

Slovgas Techniky a technológie Obr 14 Porušení tlakového tělesa bez objímek K porušení tlakového tělesa došlo při tlaku p 1618 MPa mimo vadné obvodové svary a mimo objímky v místě připojení jednoho z plnicích nátrubků Při porušení bylo: σobv 4854 MPa σl σobv /2 2427 MPa t j Re << σobv < Rm σl Re V porovnání s provozním tlakem v potrubí - p 63 MPa - došlo k porušení při tlaku 257x vyšším (p 1618 MPa) Poněvadž k porušení nedošlo v místech s obvodovými svary s vadami (trubky č 29 a 47) je zřejmé že únosnost trubek s objímkami v těchto místech je ještě vyšší než je hodnota p 1618 MPa Při dané konstrukci objímek je ovšem zřejmé že mezní tlak je limitován vznikem rozsáhlejší plastické deformace a boulením na nechráněné trubce Mezní pevnostní stav trubek s vnitřním přetlakem s povrchovými vadami v obvodovém směru Při hodnocení účinku vad v obvodovém směru na únosnost vycházejí někteří autoři z aplikace inženýrského výpočtového postupu R STRENG [1] Transformují parametry vad z obvodového směru do směru podélné- ho a s takto upravenými vadami dále pracují stanovením mezní hodnoty σl a odpovídajícího napětí σobv Častěji se za mezní pevnostní stav pokládá plastický kolaps v místě vady Při něm dochází na vadách k plastickému tečení aniž je nutné zvyšovat namáhání (t j při σ/ ε 0) viz souborná práce A G Millera [2] Při výpočtu mezního stavu z této podmínky někteří autoři hodnotí jen zvýšené nominální namáhání v oslabeném obvodovém trubkovém průřezu v důsledku vady Schulze aj loc cit [2] nebo uvažují podmínky plastického kolapsu s přihlédnutím k lokálním koncentračním vrubovým účinkům vad Kastner aj loc cit [2] Mezní namáhání v osovém směru trubky σl je pak podle těchto autorů formulováno těmito vztahy [2]: Schulze aj: σl Re /π {1 - β (1 - η) + 2sin-1[(1- η) sin β/2]} (4) Kastner aj: σ Re {η [π - β (1 - η)]} / {πη + 2 (1 - η) sin β} (5) Ve vztazích je 2β středový úhel vady η 1 - (a/t) a je hloubka vady t je tloušťka stěny obr 18 Obr 16 Tlakové těleso s objímkami Průběh deformací při do roztržení 20 Obr 15 Detail místa vzniku porušení tlakového tělesa bez objímek Někteří autoři zavádějí pro mezní stav vyšší hodnoty místo Re hodnotu flow stress Rf : Rf (Re + Rm)/2 (6) Na obr 19 jsou hodnoty pro mezní stav dle (4) a (5) vyjádřeny graficky v souřadnicích σl/re a β pro dva případy poměru a/t 05 a 07 Do grafu jsou také zakresleny výsledky pevnostních zkoušek z této naší práce s největšími vadami v obvodových svarech (trubka č 46) [3] Přitom vycházíme z konkrétních rozměrů vad na trubce V grafu jsou také zakresleny i další výsledky pevnostních tlakových zkoušek trubek s obvodovými vadami z literatury [2] Na trubce č 46 dosahovaly izolované vady typu neprůvarů obvodové délky 200 mm t j β 1655 a/t 07 a dále obvodové délky 300 mm t j β 248 a/t 05 Podle výsledků je u trubky č 46 mezní hodnota namáhání při porušení σl 2313 MPa Při Rp 02 269 MPa je σl/rp 02 086 Pokud uvažujeme mezní stav k hodnotě flow stress t j Rf (Re+ Rm)/2 t j u nás (269 + 515)/2 392 MPa je σl/rf 059 V diagramu na obr 19 jsou také uvedeny výsledky z naší práce [4] konkrétně případ s modelovými vadami v obvodovém směru Obr 17 Porušení výplňových objímek při do roztržení Slovgas 3/2006

Obr 18 Povrchová vada v obvodovém směru trubky v trubkách DN 900 na vnitřním a na vnějším povrchu V tomto případě je β 93 při a/t 05 Na těchto modelových vadách nedošlo při porušení tlakového tělesa k roztržení jen k plastickému otupení Pak je mezní > 270 MPa při R p 02 369 MPa a R f 464 MPa je /R p 02 > 075 a /R f > 058 Podle výsledků pevnostních tlakových zkoušek trub z literatury [2] s povrchovými vadami značné délky např β > 40 až 160 zakreslenými do obr 19 vyhovuje meznímu stavu na trubkách lépe postup který uvažuje lokální podmínky namáhání na vadách a vztah (5) dle Kastnera Při vadách v obvodovém směru o délce do 300 mm kdy β < 30 jak tomu bylo u vad v obvodových svarech v našich případech se blíží mezní hodnoty namáhání stanovené zvoleným postupem hodnotě R e event R p 02 tj /R e 1 V těchto podmínkách je ovšem odpovídající» R e event R m Vytváří se tak podmínky pro roztržení potrubního tělesa v podélném směru Porušení může ovšem iniciovat i na obvodových vadách které představují oslabení stěny Při těchto vysokých hodnotách se pak uplatní příznivý vliv ochranných objímek Odtud jejich příznivý účinek i při vadách v obvodovém svaru U velice dlouhých obvodových vad (β>>30 ) kdy je podle obr 19 mezní << R p 02 /2 tento příznivý účinek ochranných objímek pozbývá na významu K porušení zde dochází v obvodovém směru účinkem podélných napětí Závěry 1 U plynovodních potrubí větších průměrů budovaných před více než 30 lety je nutné počítat z důvodu nedostatečného rozsahu tehdy prováděných kontrol s výskytem vad v obvodových svarech často značného rozsahu 2 Ve vyšetřovaných trubkách DN 700 šlo zejména o nedostatečné průvary a chudé Obr 19 Povrchové vady v obvodovém směru potrubního tlakového tělesaporovnání výpočtové únosnosti s výsledky experimentů SVÚM a [2] 1 - SVÚM [3] 2 -SVÚM[4] kořenové svary trubek Představovaly až 50 % i 70 % tloušťky svaru a délku 200 až 300 mm 3 Pevnostní tlakové zkoušky uskutečněné na potrubním tělese DN 700 t 12 mm L (délka potrubního tělesa) ~ 3800 mm s těmito vadami v obvodových svarech prokázaly že nebezpečnost těchto vad je podstatně menší než obdobných vad v podélném směru 31 Cyklické tlakové zkoušky do úrovně provozního tlaku při p max 63 MPa 1 MPa p/p max 084 do N (počet cyklů) 5 000 nevedly k porušení ani ke vzniku průsaků v místě vad 32 Při došlo k roztržení při tlaku p 1902 MPa 4626 MPa ~ 231 MPa Trhlina iniciovala na lokální vadě v novém obvodovém montážním svaru a probíhala v podélném směru V místě obvodového svaru starého s výraznými vadami došlo k sekundárnímu rozdvojení magistrální trhliny podél tohoto svaru Z tohoto průběhu destrukce lze soudit že kritická hodnota pevnosti starého obvodového svaru s vadami byla blízká nebo ještě poněkud vyšší než stanovená hodnota při roztržení K porušení došlo za podmínek rozsáhlé plastické deformace na celém tělese při tlaku 3x vyšším než je tlak provozní kdy R p 02 << < R p 02 4 Pevnostní tlakové zkoušky na tělese s vadami v obvodových svarech a s objímkami clock spring daly příznivé výsledky 41 Cyklické tlakové zkoušky při p max 63 MPa p/p max 084 nevedly ke vzniku porušení tělesa ani objímek 42 Při do destrukce došlo již při tlaku p 10 MPa tj při 2 2432 MPa ke vzniku prvých plastických deformací na plášti včetně oblastí při objímkách 43 Při tlaku p 132 MPa vedl rozsáhlý rozvoj plastické deformace na volném plášti vč oblasti mezi objímkami spojený s vyboulením k praskání prvých okrajových vrstev slabších výplňových objímek Při tlaku p 147 MPa došlo k úplnému prasknutí slabších částí objímek Nedošlo však k porušení středních zesílených částí K porušení tlakového tělesa došlo při p 168 MPa tj 2 4854 MPa mimo oblast obvodových svarů a mimo objímky v místě připojení plnicích nátrubků Při porušení byl p 257 x tlak provozní Přitom R p 02 «243 MPa < R p 02 5 Teorie plastického kolapsu vede ke stanovení mezních podmínek pro porušování na vadách v obvodovém směru trubky Při kratších vadách na dodaných trubkách ( 300 mm) leží mezní namáhání při hodnotě R e (R p 02 příp až při hodnotě R f ( flow stress ) Poněvadž u potrubních ocelí je běžně R m < 2R e je při 2 nebezpečí porušení na těchto vadách v obvodovém směru podstatně menší než ve směru podélném 6 Připojení objímek snižuje v místech s vadami v obvodových svarech úroveň obvodového napětí a tím snižuje nebezpečí vzniku podélné trhliny na vadách daného rozsahu (β 30 a/t 05) I když objímka nemůže významněji snížit úroveň podélných napětí na obvodovém svaru je z uvedených důvodů její vliv pozitivní 7 Podle našich experimentálně získaných poznatků lze při hodnocení vlivu vad v obvodových svarech postupovat dle obr 19 s využitím vztahu (5) Lze tak stanovit max přípustnou hodnotu podélného namáhání ( /2) na trubce příp odpovídající hodnotu a míru bezpečnosti k porušení Lektor: doc Ing Karol Kálna DrSc VÚZ PI SR Bratislava * Ing Václav Linhart CSc Ing Jana Sigmundová SVÚM a s Praha Ing Romana Pavelková Ing Václav Herman RWE Transgas Net sro Praha e-mail: strength@svumcz Literatura [1] P roject PR 3-805 A Modified Criterion for Evaluating the Remaining Strength of Corroded Pipe Batelle - AGA 1989 [2] MILLER A-G: Review of Limit Loads of Structures Containing Defects Pressure Vessels and Piping V 32 p 197-327 1988 [3] LINHART V SIGMUNDOVÁ J a kol: Získání podkladů pro posouzení vlivu defektů v obvodových svarech trubek plynovodu DN 700 Zpráva SVÚM as č 5300055/1 2005 [4] LINHART V SIGMUNDOVÁ J a kol: Vliv defektů v místech zavařených průchodek na životnost potrubí DN 900 Zpráva SVÚM as č 4300351 2004 3/2006 Slovgas 21